XMM-Newton: ojos de oro para ver el Universo invisible

María Santos Lleo
European Science Astronomy Centre
European Space Agency

Cerca de la urbanización Villafranca del Castillo, a unos 30 km de Madrid y en el término de Villanueva de la Cañada, se encuentra el observatorio o Centro de Operaciones Científicas de XMM-Newton, la Misión Multi-espejo de rayos X de la Agencia Europea del Espacio (ESA, por sus siglas en inglés). El observatorio está ubicado en el Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC) que ha sido inaugurado hoy día 7 de febrero por los Príncipes de Asturias.

El observatorio de XMM-Newton es un poco especial, ¡tendría poco sentido poner observatorio moderno tan cerca de una ciudad grande como Madrid! De hecho, los telescopios de XMM-Newton están muy lejos, a decenas de miles de km, en órbita en torno a la Tierra. La luz que captan es también especial: los rayos X, como los que se utilizan para hacer radiografías, pero generados en distintos lugares del Universo, desde las estrellas o las nubes de gas más cercanas, hasta las galaxias más lejanas. Quizá más que decir que es una luz especial, sólo se debería decir que, como las ondas radio, infrarrojas o los rayos gamma, es diferente de la luz que vemos y, por eso, las condiciones requeridas para producirla y luego captarla con instrumentos como cámaras fotográficas son especiales, o simplemente diferentes.

Figura 1: Diseño artístico del satélite en órbita XMM-Newton sobre la Tierra.

Los rayos X son muy energéticos. Podemos entender mejor lo que esto significa con un ejemplo: cuando un hierro se calienta a unos 1000 grados, se dice que está al rojo vivo: emite luz visible de color rojo. Pues bien, para que el hierro emita luz en el rango de los rayos X, deberíamos calentarlo mil veces más: ¡hasta varios millones de grados! Otra forma de entender la energía que transportan los rayos X es pensando en cómo la luz interacciona con la materia, con los átomos. Cuando un fotón luminoso choca contra un átomo, puede cederle su energía a un electrón y arrancarlo del átomo, lo que se conoce como foto-ionización (o ionización por medio de la luz). Obviamente, es mucho más difícil arrancar los electrones internos, más cercanos al núcleo atómico, que los externos. Tomando de nuevo el hierro como muestra, vemos que hace falta mil veces más energía para arrancarle el electrón más interno que para el más externo: hace falta llegar al rango de los rayos X.

Figura 2: Ilustración del camino seguido por los fotones de rayos X: entrando en los espejos de XMM-Newton, por la izquierda, siendo reflejados dos veces en la superficie interna de los espejos con una ligera curvatura, primero paraboloide y luego hiperboloide, y focalizados a 7 metros y medio de distancia, a la derecha, arriba.

Debido a su energía, los rayos X son también difíciles de capturar: son ondas pequeñas que se «cuelan» por los huecos atómicos. Por eso atraviesan, por ejemplo, los tejidos de nuestro cuerpo y sólo son detenidos por los huesos. Ese es el motivo de que podamos ver los huesos en las radiografías: al bombardear nuestro cuerpo con rayos X y poner una placa fotográfica detrás, la luz que «toca hueso» no llega a la placa, mientras que el resto sí que llega e impresiona la placa. Lo que en medicina es una ventaja, en astronomía es, sin embargo, un inconveniente. Para recoger muchos fotones X no podemos utilizar espejos convencionales como se utilizan en astronomía óptica, ¡los rayos X los atraviesan! ¿Qué puede entonces hacerse para enfocar fotones de rayos X? Lo que se ha hecho en XMM-Newton es utilizar una técnica conocida como incidencia rasante, es decir, forzar a los rayos X a que reboten, como rebotan los cantos en la superficie de un lago, en la cara interna de espejos cilíndricos que tienen una pequeña curvatura. Estos espejos son como barriles bañados en oro en su interior: los rayos X que entran en el barril con incidencia rasante, chocan con sus paredes y son desviados hacia un punto del plano focal, a 7,5m de distancia (Figura 2). De esta forma se consigue hacer una imagen de los rayos X provenientes de lugar al que apuntan los espejos. XMM-Newton tiene tres telescopios de rayos X, cada uno está formado por 58 de estos barriles, con radios decrecientes y anidados uno dentro de otro, como muñecas rusas (Figura 3). Así es capaz de recoger y enfocar la radiación X del Universo. Además, el tener tantos espejos le convierte en la misión de rayos X más sensible jamás enviada al espacio para observar el Universo.

Figura 3: Fotografía de los módulos de espejos de XMM-Newton tomada durante su integración en el satélite. Solo uno de los tres módulos, el de la izquierda, estaba abierto en el momento que se tomó la foto, dejando ver las barras radiales de sujeción. Los otros dos estaban ya tapados, para proteger los espejos de posibles daños durante el lanzamiento. Las tapas protectoras se abrieron una vez que el satélite fue colocado en su órbita en torno a la Tierra.

 

Todo lo dicho hasta ahora lo podemos sintetizar en que XMM-Newton es un satélite de la ESA, construido y lanzado con el objetivo de captar los rayos X del Universo. La primera propiedad específica de XMM-Newton respecto a sus antecesores en esto de los rayos X es su sensibilidad sin precedentes, ya mencionada. Además, XMM-Newton se define también por su capacidad espectroscópica. Es capaz de medir la energía de cada uno de los fotones de rayos X detectado y, por tanto, de separar la luz X en sus distintos colores, como un prisma separa la luz visible en los colores del arco-iris. Los tres telescopios de rayos X que tiene a bordo están provistos con una cámara cada uno, para hacer imágenes y espectroscopia simultánea. Dos de los telescopios tienen además un espectrógrafo, que proporciona mayor resolución, es decir, que es capaz de diferenciar mejor los distintos colores (o longitudes de onda) de los rayos X que le llegan. Por último, tiene a bordo también un telescopio óptico, capaz de proporcionar información sobre la luz óptica y ultravioleta de las fuentes cósmicas. La Figura 4 muestra los telescopios y la plataforma de los instrumentos. Todos los instrumentos mencionados trabajan simultáneamente.

Figura 4: Esquema de la carga científica de XMM-Newton: los tres telescopios de rayos X se muestran abajo a la izquierda, en verde, con las tapas abiertas. Dos de los telescopios tienen en su parte de atrás (la opuesta a las tapas) las redes dispersoras de los espectrógrafos. El telescopio óptico, más pequeño, se muestra en azul. En el lado opuesto del satélite está la plataforma de los instrumentos: las tres cámaras y los dos espectrógrafos. Entre ambos extremos se sitúa el tubo de 7m prácticamente vacío, necesario para conectar ambas partes situando los instrumentos en el plano focal.

XMM-Newton fue lanzado el 10 de diciembre de 1999. Ya ha cumplido su octavo cumpleaños y no ha defraudado en absoluto. La pregunta ahora es obvia, quizá es la primera pregunta que uno se plantea cuando empieza a leer esto: pero, ¿por qué queremos mirar el Universo en rayos X y por qué con XMM-Newton? A esta pregunta le siguen inmediatamente otras: ¿Qué es lo estamos aprendiendo con XMM-Newton? ¿Por qué decimos que no nos ha defraudado? En un siguiente apunte a este cuaderno de bitácora contestaré a estas preguntas y explicaré la contribución de este satélite a la astrofísica. Contribución que se lleva a cabo en una gran parte desde el centro inaugurado hoy: ESAC, definido como el «corazón científico de la ESA» en la nota de prensa difundida con motivo de la inauguración. ESAC es la ventana al espacio de Europa y dentro de ESAC, XMM-Newton ocupa un lugar importante, pero claramente al mismo nivel que el de todos los demás programas científicos, tanto de exploración del Sistema Solar, astrofísicas como de observación de la Tierra que se llevan en el centro.

ENLACES:

• ESAC: inauguración
• Más sobre ESAC y otros programas científicos y de observación de la Tierra
• XMM-Newton, Centro de operaciones científicas
• XMM-Newton, galería de imágenes y cómo dar un paseo por el cielo visto por XMM-Newton con Google Sky
• Descripción de XMM-Newton
• XMM-Newton en las páginas de «ESA-science»
• XMM-Newton en el programa de «Education and Public Outreach», de la NASA
• CBE: Imágenes en rayos X del satélite XMM-Newton
• CBE. Observando el Cosmos desde el Espacio

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